大脑是这样数数的！研究发现人类大脑存在两套神经元系统，用以感知不同的物体数量
原文题目：Distinct neuronal representation of small and large numbers in the human medial temporal lobe；
通讯作者：Andreas Nieder & Florian Mormann；
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41562-023-01709-3
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大家可能都有过这样的生活体验：当桌上放着两三个苹果时，我们可以一眼感知到苹果的数量，而不需要在大脑中一个一个地数，但若是眼前出现了数量较多的一排苹果，我们就需要更多时间来估算苹果的数量。
人类有感知物体数量的能力，即“数感”，这种能力在动物界中是十分珍贵的，然而一直以来科学家都未能阐明为什么人类对不同数量的感知能力存在差异。
2023年10月2日，Nature Human Behavior（IF：29.9）发表了文章“Distinct neuronal representation of small and large numbers in the human medial temporal lobe”，首次通过实验证实了我们的大脑中存在着两种不同的系统，来估算四个以内的物体和五个及以上的物体。
德国波恩大学医院获得了一次宝贵的研究机会，在该医院住院、准备通过手术治疗癫痫的患者，会在术前将细如头发的微电极植入颞叶，用以定位病灶位置，而这些微电极也可以被用来测量单个神经元对视觉刺激的反应。
17名志愿者参与了这项研究，他们需要在半秒内观察屏幕上出现的图像，然后回答他们看到的点数是奇数还是偶数，和事先猜想的一样，当点数在4个以内时，受试者的反应非常迅速，并且正确率很高，但当点数超过4个并且继续增加，受试者思考的时间会延长，且他们答错的几率也随之增加。
图1 受试者需要判断一闪而过的点数是奇数还是偶数
为了探究大脑对不同数量的感知过程，研究记录了17位受试者的801个神经元的动作电位（图2），发现出现4或以下点数时，会有一部分神经元特异性地作出强烈反应，而出现5到9范围内的点数时，神经元的反应存在交叉，也就是说，有神经元专门负责识别4以内的单种数量，而识别5到9的神经元会对与其紧邻的数字做出反应，从而丢失了识别的特异性。
图2 神经元对特定数字的动作电位反应
a-d分别描绘了神经元对2、3、5、7这四种数量产生的动作电位，前两者表现出较特异的单个动作电位峰，而后两者有多种神经元同时出现放电高峰。
对特定数量敏感的神经元来说，它会对某一特定数量产生最大的反应，这就是神经元的偏好数量。德国图宾根大学动物生理学家Andreas Nieder说：“偏好数量越大，这些神经元的选择性就越低。例如，对3有特异性的神经元只会对3做出反应，而对8有偏好的神经元除了对8做出反应外，还会对7和9做出反应。因此，当人们试图量化更多数量的物体时，会犯更多错误。”
为了具体分析单个神经元对数量的反应，研究人员描绘了神经元的调谐曲线，分析其特征和相关性（图3）后发现：对于4以内数量，神经元对偏好数量有高度选择性，并抑制其余非偏好数量的反应，从而提高了识别效果，但当数量大于4后，神经元的调谐曲线变宽，选择性降低。
图3 数量偏好神经元的调谐特性
(a)不同脑区神经元对数量偏好的比例。海马旁皮质（PHC），内嗅皮质（EC），海马（HIPP）和杏仁核（AMY）。（b）神经元数量偏好的分布比例。（c）数量偏好神经元对应到10种数量的调谐曲线。（d）每种数量偏好神经元的平均放电率。（e）从高斯拟合调谐曲线得到的每种数量偏好神经元的平均调谐幅度。（f）每种数量偏好神经元的平均调谐选择性。（g）所有数量偏好神经元（n=121）的平均放电率的相关系数。（h）不同数字边界的拟合优度。
研究人员进一步使用支持向量机（support vector machine，SVM）对数量偏好神经元进行分类，发现神经元对数量判断存在分类边界，最显著的差异在数量4和5之间（图4）。这表明大脑中有两种不同的“数量系统”。Andreas Nieder感到非常惊讶，“我很难相信真的有这样一条分界线。但是，根据这些数据，我必须接受它。”
约翰-霍普金斯大学儿童发展实验室联合主任、心理学家Lisa Feigenson同意这一结论，她说：“这些发现非常精彩，这些发现为行为学研究提供了新的证据，表明有两种系统参与识别物体的数量。这一发现与人们对思维本质的理解息息相关，即产生人类思维的基石是什么？”
图4 支持向量机分类分析
(a)在试验过程中，进行数量偏好选择的神经元数量。（b）SVM模型的分类准确率。（c）混淆矩阵可视化SVM分类结果。（d）不同数字边界的拟合优度。
如上所述，长久以来，科学家都在探寻人类估算数量的能力从何而来，一些研究人员认为，大脑使用的是单一的估算系统，只是对更大的数字的估算不够精确。另一些人则假设，之所以会出现对不同数量估算能力的差异，是因为有两个独立的神经元系统来量化物体，但没有实验能够确定哪种模型是正确的。现在，科学家终于通过实验证实了这种数感能力产生的原因，的确是因为我们的大脑中存在两种截然不同的“数字系统”，用于处理小数量或大数量。
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参考链接：
1.https://www.nature.com/articles/d41586-023-03136-w往期回顾
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